典型喀斯特城市的熱島時空變化及其成因分析

陳炫熾，陳 蓉，廖 瑤，吳愈鋒，王躍躍

(1. 貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025； 2. 貴州省生態氣象和衛星遙感中心，貴州 貴陽 550025)

喀斯特即巖溶，是水對可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。

熱島效應(heat island effect)是指一個地區的氣溫高于周圍地區的現象，主要有城市熱島效應和青藏高原熱島效應兩種。城市熱島效應(urban heat island effect),就是因城市化的發展,導致城市中氣溫高于外圍郊區的現象，其出現可能會危害人體健康、加劇大氣污染、造成局部地區的自然災害、導致氣候與物候失常。

對于城市熱島效應的研究一直是一個熱點，遙感技術以其本身范圍廣、速度快、效率高的優勢得到了廣泛的應用：文獻[1—2]提出利用Landsat影像進行地表溫度(land surface temperature，LST)反演的各種算法，有效地提高了遙感影像反演地表溫度的精度；文獻[3]用兩期Landsat TM影像分析了蘇州地區18年的熱島時空變化及其與土地覆蓋變化的關系；文獻[4]等利用Landsat 8數據對成都市中心城區熱島效應的時空變化及其與下墊面的關系進行了分析。

本文選擇貴州省典型喀斯特城市——安順市的老城區西秀區為研究區，使用基于影像的反演算法，利用RS、GIS及統計學的各種手段定量分析其熱效應的時空變化和造成這些變化的原因，為其他喀斯特城市的大氣環境監測及治理提供依據。

1 研究區域與數據

1.1 研究區概況

安順市西秀區位于貴州省中部腹地，貴陽市以西為90 km，為安順市政府所在地，是安順市政治、經濟、科技和文化中心，平均海拔高度在1102～1694 m，全境海拔高度為560～1500 m，具有山岳氣候的典型特征。屬典型的高原型濕潤亞熱帶季風氣候，雨量充沛，年平均降雨量為1360 mm，年平均氣溫為14℃，歷史最高氣溫為34.3℃，最低氣溫為-7.6℃，年平均相對濕度為80%，年平均風速為2.4 m/s，冬無嚴寒，夏無酷暑，氣候溫和宜人。

1.2 數據來源及預處理

研究使用的三期Landsat影像均下載于美國地質勘探局(United States Geological Survey，簡稱USGS)的數據共享網站(http:∥glovis.usgs.gov/)，分別接收于1989年2月15日(Landsat TM)、2003年3月2日(Landsat ETM+)和2018年3月3日(Landsat OLI)的3個時間節點，含云量極低，影像質量良好；對Landsat影像進行輻射定標、大氣校正、影像裁切等預處理后得到研究區3期影像圖。氣象數據下載于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演算法

本文選擇基于影像的反演算法[5]，當研究區范圍較小且無云的條件下，大氣的影響程度在空間上可以近似地認為一致，因而不需衛星過境的實時大氣剖面數據或采用大氣模型進行大氣校正[6]。在實時大氣參數不可得時，基于影像算法的反演精度在以上條件下與單窗算法接近，而反演過程要比單窗算法和單通道算法等簡便得多。該模型公式為

(1)

A=hc/ρ=1.438×10-2

(2)

式中，T為地表溫度(K)；ε為地表比輻射率；λ為熱紅外波段的中心波長；A為常數；h為Planck常數；c為光速；ρ為Boltzmann常數。

2.2 CART決策樹分類算法

地表比輻射率的計算結果決定了地表溫度反演的精度，各類地物由于其物質結構不同的原因，其地表比輻射率也不相同。喀斯特地區地物分布復雜且破碎，而CART決策樹(classification and regression tree，CART)分類算法對于類型復雜多樣、分布界限模糊、光譜混淆與混合像元現象嚴重的河流濕地等濕地類型具有更好的鑒別能力[7-8]。使用CART算法對3期影像進行分類，誤差較小(見表1)，分類結果滿足研究需求。

表1 CART決策樹算法分類精度

為便于后續分析，根據研究區實際情況，如圖1將3期影像分類結果中的裸土與建筑合并為不透水面，植被和陰影合并為綠地。

各地物純凈像元的地表比輻射率可根據文獻[9]的研究成果計算得到，對于包含不同地類的混合像元，使用文獻[10]針對這種情況提出改進的地表比輻射率計算模型

(3)

式中，ε自、ε城、ε裸分別為自然地表、城鎮地表和裸土地表的比輻射率；PV為植被覆蓋度，可基于像元二分法進行反演，公式為

(4)

在像元二分法模型中，NDVIS和NDVIV分別為裸土(或無植被覆蓋區域)和全植被覆蓋區的NDVI值。二者的大小會因植被類型的不同而出現時間和空間上的變化，因此需要利用影像分類結果中不同地物的掩膜影像進行計算。

RV、RB、RS分別為植被、建筑、裸土的溫度比率，文獻[10]根據各地表類型的溫度差異進行模擬，給出公式為

(5)

式中，εV、εS、εB分別為純凈植被、裸土、建筑的地表比輻射率；dε包括自然表面的幾何分布和內部反射的影響，當地表相對平整時，dε一般取0；本文研究區為山區，高差較大，根據經驗模型取dε[11]為

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(6)

2.3 相關分析法

使用相關系數r計算緩沖區內各地物類型面積占總面積百分比x與平均地表溫度y之間的相關性，計算公式如下。

設有n對x與y的數值，則有

(7)

式中，當rxy>0時，x與y呈正相關，當rxy<0時，x與y呈負相關；|rxy|≤1，值越大說明x與y的相關性越高，計算得到的回歸直線越符合數據變化的趨勢：|rxy|<0.3，為弱相關；0.3≤|rxy|<0.5，為低相關；0.5≤|rxy|<0.8，為顯著相關；0.8≤|rxy|≤1，為極顯著相關。

3 結果與分析

3.1 地表溫度反演結果

選取安順市氣象站溫度數據作為實測數據，對反演結果進行精度驗證，對比結果見表2。

表2 地表溫度反演數據與實測數據對比結果

如圖2將反演得到的地表溫度用基于均值和標準差的分級方法[12]分為低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫區等5級。該方法分級更客觀、在城市熱島研究中表現較好。

從圖2中可以看出：

(1) 從空間上來看，與非喀斯特地區的熱島效應不同，3個時期主城區以外的某些區域均存在大量高溫區，這是喀斯特地區脆弱的生態環境形成的大量裸巖分布造成的。

(3) 2018年時，主城區的熱島現象幾乎完全消失，這一異常熱效應需要進一步分析。

3.2 熱效應分析

3.2.1 熱效應與地物類型的關系

為避免主城區異常熱效應的影響，根據前人經驗[13]，利用ArcGIS 10.4.1對整個研究區從中心處選擇以210 m為步長，逐步移除的方式建立多個緩沖區，逐漸削弱直至移除中心區可能造成的影響。整個研究區總計46個框型緩沖區，根據3個時期的地表溫度反演結果和地物類型分布圖，統計各緩沖區內平均地表溫度(mean LST)、綠地占地百分比、不透水面占地百分比，并分別對平均地表溫度和不透水面占地百分比、平均地表溫度和綠地占地百分比進行相關性分析，所得結果見表3。

表3 各類地物面積占比與平均地表溫度相關性分析結果

從表3可以看出，3個時期的不透水面面積占比與平均地表溫度均呈極顯著負相關，而綠地面積占比與平均地表溫度則呈極顯著正相關。

3.2.2 熱島消失成因分析

對于2018年安順市主城區出現的無明顯的城市熱島情況，從分類結果展示的地物覆蓋類型上看，該區域主要分布為城市建筑群，理應出現與2003年類似的密集高溫區。為排除2018年反演結果的偶然性，對2016年2月10日研究區landsat OLI影像進行溫度反演，結果如圖3所示，與2018年影像反演結果類似，研究區主城區熱島現象幾乎完全消失，證明2018年研究區出現的熱效應不是偶然的。

根據前人研究，當出現異常熱效應時，考慮可能由該區域氣象因素[14-15]或城市形態因子[16](建筑密度、平均建筑高度等)造成。故收集3期影像同天的氣象數據，發現各氣象因子(風向、氣壓、氣溫、降水量、相對濕度等)在3個時間點相差很小，即氣象環境類似，可以排除氣象因素的影響。對比該區域2016年8月8日與近10年前2007年9月5日digital globe高分影像，發現主城區整體城市形態變化不大，但城市綠化情況顯著改善。

于是，從研究區中心處起，統計2003年與2018年兩期影像前4個緩沖區范圍內的平均NDVI，結果見表4。

表4 2003年與2018年中心區域平均NDVI對比

從表4可以看出，2018年研究區主城區中心處的平均NDVI約為2003年的2倍之多，說明相比2003年，2018年研究區主城區的綠化情況有很大程度的改善。

根據以上分析，結合媒體報道和《安順市創建國家園林城市工作方案》《安順市城市綠化管理辦法》等文件，可以認為研究區中心處明顯得到緩解的城市熱效應是安順市政府近年來大力開展城市綠化、環境治理工作的成果，文獻[17—18]也提出過類似的觀點。

4 結 語

本文選擇典型喀斯特區域安順市西秀區為研究區，利用Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，使用基于影像的溫度反演算法，建立緩沖區對研究區近30年城市熱島效應進行定量分析，得出以下結論：

(1) 喀斯特城市的熱島現象與其他城市類型不同，受地形地貌的影響，主城區以外的某些區域同樣分布有一定面積的高溫區。

(2) 研究區近30年熱效應均與不透水面面積存在極顯著負相關關系，與綠地面積存在極顯著正相關關系。

(3) 從1989—2003年，研究區的城市熱島面積隨著主城區面積的擴大呈擴張趨勢，這種趨勢符合我國當前城市發展所帶來的環境問題的狀況。

(4) 2018年研究區的熱效應與1989年和2003年不同，其主城區熱島現象幾乎完全消失，在排除氣象因子與城市形態因子影響的可能后，發現這應為安順市政府大力推進城市綠化、環境治理工作所取得的成果。

綜合本文結論，對于喀斯特城市的熱環境監督與治理來說，城市綠化工作的大力推進是卓有成效的，對于其他喀斯特山區城市具有借鑒意義，值得宣傳、效仿。